核反應(yīng)堆和核電站的工作原理,核裂變的原理以及核反應(yīng)堆的內(nèi)部情況

1、核反應(yīng)堆和核電站的工作原理，核裂變的原理以及核反應(yīng)堆的內(nèi)部情況核電站提供了世界上大約17%的電能。一些國家或地區(qū)對核電的依賴要比其他發(fā)電方式更高。例如，根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)提供的數(shù)據(jù)，在法國，大約75%的電是由核電站生產(chǎn)的。在美國，核電站共提供了大約15%的電能，但各州利用核電的情況并不統(tǒng)一。全世界共有超過400座核電站，而其中有超過100座在美國。座落于北卡羅萊納州羅利市的希隆哈里斯 (Shearon Harris) 核電站的穹頂形的安全殼建筑。您了解核電站的工作原理以及核能的安全性嗎？在這篇文章中，我們將為您介紹核反應(yīng)堆和核電站的工作原理，并帶您了解核裂變的原理以及核反應(yīng)堆的內(nèi)部情況。 鈾是

2、地球上一種相當(dāng)普通的元素，在地球形成時(shí)就存在于這個(gè)行星中了。鈾原本是在恒星中形成的。年老的恒星爆炸，其塵埃聚集起來形成了地球。鈾-238 (U-238) 有一個(gè)非常長的半衰期（大于45億年），因此現(xiàn)在它們?nèi)匀淮罅看嬖?。?238占地球上所有鈾的99%，鈾-235 約占0.7%。鈾-234是由鈾-238衰變形成的，它更加稀少。（鈾-238經(jīng)過很多階段的阿爾法和貝塔衰變才能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的鉛同位素，而鈾-234是這條反應(yīng)鏈上的一環(huán)。） 鈾-235有一個(gè)奇特的特性讓它既可以用于核能發(fā)電也可以用于制造核彈。鈾-235和鈾-238一樣都是通過輻射阿爾法射線的方式衰變。鈾-235同時(shí)也在一小部分時(shí)間中進(jìn)行著自

3、發(fā)裂變。然而，鈾-235是少數(shù)能夠發(fā)生誘發(fā)裂變的物質(zhì)之一。如果一個(gè)自由中子撞擊鈾-235的原子核，它的原子核將會立即吸收這個(gè)中子而變得不穩(wěn)定，并馬上分解。請查看核輻射揭秘以了解全部細(xì)節(jié)。 核裂變 下面的動畫演示了一個(gè)中子從上部接近鈾-235的原子核。一旦原子核捕捉到中子，它馬上分解為兩個(gè)輕一些的原子，同時(shí)釋放出兩個(gè)或三個(gè)新的中子（中子的個(gè)數(shù)取決于鈾-235原子分解的方式）。兩個(gè)新的原子釋放出伽馬射線并穩(wěn)定到新的狀態(tài)。有三件事情讓這個(gè)誘發(fā)裂變過程變得有趣： 鈾-235原子捕捉一個(gè)正在穿過的中子的概率非常高。在正常工作的核反應(yīng)堆中（稱為臨界狀態(tài)），每次裂變釋放出的中子都會導(dǎo)致另一次裂變的發(fā)生。 捕

4、捉中子并發(fā)生分解的過程非常迅速，單位為皮秒（即1x10-12秒）。 當(dāng)單個(gè)原子分解時(shí)，會有巨大的能量通過熱和伽馬輻射的形式釋放出來。裂變生成的兩個(gè)原子也能夠釋放貝塔和伽馬射線。單個(gè)裂變反應(yīng)之所以能釋放出能量，是因?yàn)榱炎儺a(chǎn)物和中子加在一起的質(zhì)量比原來的鈾-235原子的質(zhì)量要小。方程E=mc2決定了質(zhì)量差異轉(zhuǎn)化為能量的比率。 單位約為200MeV（百萬電子伏特）的能量被鈾-235原子通過衰變釋放出來（下面的公式將這些量轉(zhuǎn)化為我們常見的單位，1eV=1.602x10-12爾格，1x107爾格=1焦耳，1焦耳=1瓦秒，而1BTU（熱量單位）=1055焦耳）。這些可能看上去不是很多，但是一斤鈾中有大量的

5、鈾原子。事實(shí)上，一斤高濃鈾被用于為核潛艇或者核動力航母提供能量，這約等于380萬升汽油能提供的能量。如果考慮到一斤鈾的尺寸比一個(gè)棒球還小，而380萬升的汽油卻能夠裝滿邊長為15米（有五層樓高）的立方體，您就能對鈾-235 所蘊(yùn)含的能量有個(gè)概念了。 為使鈾-235的這些特性得到發(fā)揮，鈾樣品必須得到濃縮，這樣它就含有2-3% 或者更高濃度的鈾-235。3%的濃度足夠用于核電站。武器中的鈾含有90%或更多的鈾-235。 核電站內(nèi)部建造一個(gè)核反應(yīng)堆需要濃度低一些的鈾。通常，鈾被制作成直徑相當(dāng)于10美分硬幣左右，長度為2.5厘米左右的燃料元件。燃料元件被安裝到長燃料棒中，燃料棒被進(jìn)一步組裝成燃料組件。燃

6、料組件通常被浸泡在壓力容器中。容器中的水起冷卻作用。為使反應(yīng)堆工作，浸泡在水中的燃料組件必須處于稍微超臨界的狀態(tài)。這意味著，如果沒有其他設(shè)備，鈾最終將會過熱并熔化。 為防止這種情況出現(xiàn)，由吸收中子的材料制成的控制棒通過升降裝置插入到燃料組件中。操作員通過升降控制棒來控制核反應(yīng)的程度。當(dāng)操作員希望鈾堆芯產(chǎn)生更多的熱量時(shí)，可將控制棒從鈾燃料組件中升起。要使熱量減少，則降低控制棒以插入到鈾燃料組件中。在發(fā)生事故或者更換燃料時(shí)，控制棒還能被完全插入鈾燃料組件中以關(guān)閉核反應(yīng)堆。 鈾燃料組件是一個(gè)能夠產(chǎn)生極高能量的熱源。它對水進(jìn)行加熱并將其轉(zhuǎn)化為蒸汽。蒸汽推動蒸汽輪機(jī)，而汽輪機(jī)則帶動發(fā)電機(jī)來發(fā)電。在某些反

7、應(yīng)堆中，反應(yīng)堆產(chǎn)生的蒸汽通過二級中介熱交換裝置將另一個(gè)回路的水加熱為蒸汽來轉(zhuǎn)動汽輪機(jī)。這種設(shè)計(jì)的好處是放射性的水或者水蒸汽不會接觸到汽輪機(jī)。同樣，在某些反應(yīng)堆中，與反應(yīng)堆堆芯接觸的冷卻流體是氣體（如二氧化碳）或者液態(tài)金屬（如鈉或鉀），這種類型的反應(yīng)堆允許堆芯在更高的溫度下工作。 如果除去核反應(yīng)堆，核電站和火電站除了生成蒸汽的熱源不同外差異很少。希隆哈里斯 (Shearon Harris) 發(fā)電站的這臺發(fā)電機(jī)為家庭和商業(yè)設(shè)施提供電力。它的發(fā)電功率為870兆瓦。電站中輸送驅(qū)動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動的水蒸汽的管道。反應(yīng)堆的壓力容器通常被放置在一個(gè)用作輻射防護(hù)的混凝土襯里內(nèi)。這個(gè)襯里被安裝在一個(gè)更大的鋼制密閉容器

8、中。這個(gè)容器中有反應(yīng)堆堆芯以及供工作人員維護(hù)反應(yīng)堆的硬件設(shè)施（吊車等）。該容器的作用是防止放射性氣體或液體泄漏。 最后，這個(gè)密閉容器被外部的混凝土建筑保護(hù)，它的強(qiáng)度能夠承受噴氣式飛機(jī)的撞擊。這些二級密閉結(jié)構(gòu)對防范如在三里島事故中那樣的輻射或放射性蒸汽的泄漏是必要的。前蘇聯(lián)的核電站中由于沒有二級密閉結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致了切爾諾貝利核電站事故。 哈里斯發(fā)電站冷卻塔中升起的蒸汽。核電站控制室中的工作人員能夠監(jiān)視核反應(yīng)堆并在發(fā)生故障時(shí)采取行動。鈾-235并不是核電站中唯一可用的燃料。核電站的另一種燃料是钚-239。钚-239 可以使用中子轟擊鈾-238得到這就是核反應(yīng)堆中時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生著的事。 亞臨界、臨界和

9、超臨界狀態(tài)鈾-235原子分裂時(shí)會（根據(jù)分裂方式的不同）釋放出兩個(gè)或三個(gè)中子。如果附近沒有鈾-235原子，那么這些中子將會以中子射線的方式飛走。如果鈾-235原子是一塊鈾的一部分那么附近就有其他鈾原子于是將會發(fā)生下面三種情況： 如果，平均起來，每次裂變正好有一個(gè)自由中子擊中另一個(gè)鈾-235原子核并使它發(fā)生裂變，那么這塊鈾的質(zhì)量就被認(rèn)為是臨界的。其質(zhì)量將維持一個(gè)穩(wěn)定的溫度。核反應(yīng)堆必須被維持在臨界狀態(tài)。 如果，平均起來，擊中另一個(gè)鈾-235原子的自由中子少于一個(gè)，那么這塊質(zhì)量就是亞臨界的。最終，物質(zhì)的誘發(fā)裂變會終止。 如果，平均起來，有超過一個(gè)自由中子擊中了另一個(gè)鈾-235原子，那么這塊鈾的質(zhì)量就

10、是超臨界的。鈾會熱起來。 對于核彈，其設(shè)計(jì)者要求鈾的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過超臨界質(zhì)量，這樣燃料塊中的所有鈾-235能夠在極短的時(shí)間內(nèi)全部發(fā)生裂變。在核反應(yīng)堆中，反應(yīng)堆堆芯需要稍微超臨界，這樣工作人員就能控制反應(yīng)堆的溫度。工作人員通過操作控制棒來吸收自由中子，以使反應(yīng)堆維持在臨界水平。 燃料中鈾-235的含量（濃縮水平）和燃料塊的形狀決定了鈾的臨界狀況。可以想象，如果燃料是細(xì)薄的片狀，那么多數(shù)自由中子將會飛出去而不是撞擊其他的鈾-235原子。球形是最佳的形狀。以球形聚集在一起以實(shí)現(xiàn)臨界反應(yīng)的鈾-235的量大約為0.9公斤。這個(gè)量因此被稱為臨界質(zhì)量。钚-239的臨界質(zhì)量大約是283 克。 可能出現(xiàn)的問題核能發(fā)電有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)非常清潔。與火電站相比，核電站從環(huán)保角度來講簡直就是做到了極致?；痣娬鞠虼髿庵嗅尫诺姆派湫晕镔|(zhì)比核電站還多，同時(shí)它還向大氣中釋放大量的碳、硫和其他元素。 非常不幸的是，核電站的運(yùn)行也存在一些嚴(yán)重的問題： 鈾的開采和提純并不是非常清潔的過程。 非正常運(yùn)行的核電站能夠帶來大問題。切爾諾貝利災(zāi)難是最近的一個(gè)例子。切爾諾貝利核電站的設(shè)計(jì)不良并且運(yùn)作不當(dāng)，這場災(zāi)難展示了核電站可能發(fā)生的最糟糕的情況。切